CN109825014B - 一种高弹性模量聚四氟乙烯摩擦材料及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种高弹性模量聚四氟乙烯摩擦材料及其制备方法和应用。本发明提供的高弹性模量聚四氟乙烯摩擦材料，按质量份数计，包括以下制备原料：聚四氟乙烯55～70份；云母15～35份；玻璃纤维5～15份；纳米氧化铝5～15份；石墨1～5份。本发明采用上述配比的原料制备得到的聚四氟乙烯摩擦材料在具有高弹性模量基础上，还具有耐磨、摩擦系数稳定等特点，能够满足超声电机中对于摩擦材料的要求。

Description

一种高弹性模量聚四氟乙烯摩擦材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种高弹性模量聚四氟乙烯摩擦材料及其制备方法和应用。

背景技术

超声电机是20世纪八十年代迅速发展起来的一种全新概念的微特电机，具有重量轻、低速大扭矩、响应速度快的优点，加上其不受电磁干扰的特点，在生物医学、精密仪器仪表、机器人的关节驱动、微型机械技术、航空航天、火星探测器等高技术领域有广泛的应用前景。

由于超声电机通过摩擦界面输送动力，因而界面的摩擦特性对超声电机整体性能的发挥至关重要，通常要求摩擦材料具有：①合适且稳定的摩擦系数(0.15～0.3)，低速无蠕动、爬行现象；②较好的耐磨特性；③较高的堵转力矩，要求大于0.65Nm；④转速稳定，短时间内波动小，1min内转速波动小于空载转速的10％，长时间运转速度不下降；⑤摩擦噪声低(<45dB)；⑥适当的硬度(邵氏硬度HD为60～80)和弹性模量；⑦(常、高、低温条件下)稳定的物理和化学特性，耐低温和耐高温特性；⑧良好的导热性、耐振动和耐冲击特性；⑨与摩擦副之间较低的粘附力；⑩良好的机械加工性能。

聚四氟乙烯(PTFE)的动、静摩擦系数接近，热化学性质稳定、易加工等优点恰好满足超声电机用摩擦材料的要求；但是由于纯PTFE的弹性模量只有500MPa左右，必须进行改性才能满足超声电机摩擦材料使用要求。改性聚四氟乙烯的填料主要包括碳纤维、石墨烯、铜粉等，不能满足超声电机中摩擦材料需具有高弹性模量性的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高弹性模量聚四氟乙烯摩擦材料及其制备方法和应用，本发明提供的聚四氟乙烯摩擦材料在具有高弹性模量基础上，还具有耐磨、摩擦系数稳定等特点。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种高弹性模量聚四氟乙烯摩擦材料，按质量份数计，包括以下制备原料：

聚四氟乙烯55～70份；

云母15～35份；

玻璃纤维5～15份；

纳米氧化铝5～15份；

石墨1～5份。

优选地，所述聚四氟乙烯的粒径为50～100μm。

优选地，所述云母的横向尺寸为1～10μm，纵向尺寸≤0.2μm，径厚比≥50。

优选地，所述玻璃纤维的直径为8～14μm，长径比为(3～5)：1。

优选地，所述纳米氧化铝的粒径为150～300nm。

优选地，所述石墨的粒径为1～200μm。

本发明提供了上述技术方案所述聚四氟乙烯摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：

将聚四氟乙烯、云母、玻璃纤维、纳米氧化铝和石墨混合后依次进行压制和烧结，得到聚四氟乙烯摩擦材料。

优选地，所述压制的压力为70～100MPa，时间为3～5min。

优选地，所述烧结的温度为365～375℃，保温时间为90～150min。

本发明提供了上述技术方案所述聚四氟乙烯摩擦材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的聚四氟乙烯摩擦材料在超声电机中的应用。

本发明提供了一种高弹性模量聚四氟乙烯摩擦材料，按质量份数计，包括以下制备原料：聚四氟乙烯55～70份；云母15～35份；玻璃纤维5～15份；纳米氧化铝5～15份；石墨1～5份。本发明中聚四氟乙烯作为树脂基体，具有耐高低温、抗腐蚀性以及宽温域下摩擦系数稳定等特点；云母具有连续层状硅氧四面体结构，可剥离为具有弹性的薄片，质柔可弯曲，并且其径厚比大，电绝缘性、韧性、抗磨性和耐磨性好，热膨胀系数小，难溶于酸碱溶液，化学性质稳定，复合其它填料能够显著提高四氟乙烯摩擦材料的弹性模量；纳米氧化铝硬度高，复合其它填料能够在增大摩擦系数的同时使摩擦系数保持稳定性；玻璃纤维具有高韧性和高刚性，复合其它填料能够提高聚四氟乙烯的承载能力，减小磨损率，改善聚四氟乙烯的抗蠕变性能；纳米氧化铝硬度高，复合其它填料能够在增大摩擦系数的同时使摩擦系数保持稳定性；石墨具有优良的固体润滑性能，复合其它填料能够显著提高四氟乙烯摩擦材料的抗磨损性，使其具有稳定的摩擦系数，延长使用寿命。采用上述配比的原料制备得到的聚四氟乙烯摩擦材料在具有高弹性模量基础上，还具有耐磨、摩擦系数稳定等特点，能够满足超声电机中对于摩擦材料的要求。

具体实施方式

本发明提供了一种高弹性模量聚四氟乙烯摩擦材料，按质量份数计，包括以下制备原料：

聚四氟乙烯55～70份；

云母15～35份；

玻璃纤维5～15份；

纳米氧化铝5～15份；

石墨1～5份。

按质量份数计，本发明提供的聚四氟乙烯摩擦材料的制备原料包括聚四氟乙烯55～70份，优选为60～65份。在本发明中，所述聚四氟乙烯的粒径优选为50～100μm，更优选为65～85μm。在本发明中，聚四氟乙烯具有耐高低温、抗腐蚀性以及宽温域下摩擦系数稳定等特点；采用上述粒径的聚四氟乙烯作为树脂基体，能够在保证材料强度的同时，与填料均匀混合，树脂基体与填料界面结合良好，而粒径过大会导致混料发热量大，聚四氟乙烯发粘，不容易混合均匀，粒径过小会导致材料强度下降。

以所述聚四氟乙烯的质量份数为基准，本发明提供的聚四氟乙烯摩擦材料的制备原料包括云母15～35份，优选为20～30份。在本发明中，所述云母的横向尺寸优选为1～10μm，更优选为4～7μm，纵向尺寸(厚度)优选≤0.2μm，径厚比优选≥50。在本发明中，所述云母具有连续层状硅氧四面体结构，可剥离为具有弹性的薄片，质柔可弯曲，并且其径厚比大，电绝缘性、韧性、抗磨性和耐磨性好，热膨胀系数小，难溶于酸碱溶液，化学性质稳定，本发明采用上述添加量和尺寸的云母作为无机填料，与树脂基体之间有更好的结合强度，从而获得更小的应力集中和更强的抗冲击性，复合其它填料能够显著提高四氟乙烯摩擦材料的弹性模量；而尺寸过大容易造成材料内部内应力过大，界面结合差，容易引起摩擦系数波动，尺寸过小容易团聚，不利于分散均匀。

以所述聚四氟乙烯的质量份数为基准，本发明提供的聚四氟乙烯摩擦材料的制备原料包括玻璃纤维5～15份，优选为8～12份。在本发明中，所述玻璃纤维的直径优选为8～14μm，更优选为10～12μm，长径比为(3～5)：1，更优选为(4～5)：1。在本发明中，玻璃纤维具有高韧性和高刚性，采用上述添加量和尺寸的玻璃纤维作为无机填料，复合其它填料能够提高聚四氟乙烯的承载能力，减小磨损率，改善聚四氟乙烯的抗蠕变性能。

以所述聚四氟乙烯的质量份数为基准，本发明提供的聚四氟乙烯摩擦材料的制备原料包括纳米氧化铝5～15份，优选为8～12份。在本发明中，所述纳米氧化铝的粒径优选为150～300nm，更优选为200～250nm。在本发明中，所述纳米氧化铝硬度高，采用上述添加量和粒径的纳米氧化铝作为无机填料，复合其它填料能够在增大摩擦系数的同时使摩擦系数保持稳定性，而粒径过大会引起磨粒磨损，摩擦系数波动性大，材料使用寿命缩短，粒径过小会导致团聚，不容易分散均匀。

以所述聚四氟乙烯的质量份数为基准，本发明提供的聚四氟乙烯摩擦材料的制备原料包括石墨1～5份，优选为2～4份。在本发明中，所述石墨的粒径优选为1～200μm，更优选为50～150μm。在本发明中，所述石墨具有优良的固体润滑性能，采用上述添加量和粒径的石墨作为无机填料，复合其它填料能够显著提高四氟乙烯摩擦材料的抗磨损性，使其具有稳定的摩擦系数，延长使用寿命。

本发明对于上述各制备原料的来源没有特殊的限定，采用符合上述粒径或尺寸要求的市售商品即可。

本发明提供了上述技术方案所述聚四氟乙烯摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：

将聚四氟乙烯、云母、玻璃纤维、纳米氧化铝和石墨混合后依次进行压制和烧结，得到聚四氟乙烯摩擦材料。

本发明将聚四氟乙烯、云母、玻璃纤维、纳米氧化铝和石墨混合，得到混合料。本发明对于各制备原料的加料顺序以及混合方式没有特殊的限定，能够将各组分混合均匀即可。

得到混合料后，本发明将所述混合料进行压制，得到压制料。在本发明中，所述压制的压力优选为70～100MPa，更优选为80～90MPa；时间优选为3～5min，更优选为3～4min。在本发明中，所述压制优选在室温条件下进行，即无需额外的加热或降温。本发明优选是将所述混合料放入模具中进行压制，压制完成后脱模，得到压制料。

得到压制料后，本发明将所述压制料进行烧结，得到聚四氟乙烯摩擦材料。在本发明中，所述烧结的温度优选为365～375℃，更优选为368～372℃；升温至烧结所需温度的升温速率优选为40～60℃/h，更优选为45～55℃/h；保温时间优选为90～150min，更优选为110～130min。本发明优选是将所述压制料置于烧结炉中，由室温匀速升温至烧结所需温度，保温进行烧结；烧结结束后自然降温，得到聚四氟乙烯摩擦材料。

本发明提供了上述技术方案所述聚四氟乙烯摩擦材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的聚四氟乙烯摩擦材料在超声电机中的应用。本发明提供的聚四氟乙烯摩擦材料在具有高弹性模量基础上，还具有耐磨、摩擦系数稳定等特点，是很有价值的聚合物摩擦材料，能够满足超声电机中对于摩擦材料的要求。本发明对于所述应用的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1～3和对照例1～5

将聚四氟乙烯、云母、玻璃纤维、纳米氧化铝和石墨混合，将所得混合料放入模具中进行压制，压制完成后脱模，将所得压制料置于烧结炉中，由室温匀速升温至烧结所需温度，保温进行烧结；烧结结束后自然降温，得到聚四氟乙烯摩擦材料；其中，各制备原料配比列于表1中，制备参数列于表2中。

表1实施例1～3和对照例1～5中各制备原料的配比

表2实施例1～4和对照例1～5中制备参数

将实施例1～3和对照例1～5中制备的聚四氟乙烯摩擦材料进行性能测试，结果如表3所示，其中，相关测试标准或测试条件如下：

(1)拉伸强度：GB/T 1040.2；

(2)断裂伸长率：GB1040.2；

(3)拉伸弹性模量：GB1040.2；

(4)邵氏硬度(HD)：GB/T 2411；

(5)摩擦系数：0.73MPa，0.23m/s；

(6)质量磨损率：0.73MPa，0.23m/s。

表3实施例1～3和对照例1～5制备的聚四氟乙烯摩擦材料的性能测试结果

由表3数据可知，单独填充玻璃纤维的聚四氟乙烯摩擦材料拉伸性能较好，但硬度低，摩擦系数小，但质量磨损率高，不能满足超声电机摩擦材料使用要求；单独填充云母的聚四氟乙摩擦材料拉伸弹性模量提升显著，但摩擦系数仍偏小；而本发明提供的高弹性模量聚四氟乙烯摩擦材料复合填充云母、玻璃纤维、纳米氧化铝和石墨，利用多组分、多尺度功能填料对树脂基体的协同改善作用，调控摩擦磨损性能，摩擦系数稳定，且质量磨损率低，能够满足超声电机中对于摩擦材料的要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种高弹性模量聚四氟乙烯摩擦材料，按质量份数计，包括以下制备原料：

聚四氟乙烯55～70份，所述聚四氟乙烯的粒径为65～85μm；

云母15～35份，所述云母的横向尺寸为4～7μm，纵向尺寸≤0.2μm，径厚比≥50；

玻璃纤维5～15份，所述玻璃纤维的直径为10～12μm，长径比为(3～5)：1；

纳米氧化铝5～15份，所述纳米氧化铝的粒径为200～250nm；

石墨1～5份，所述石墨的粒径为50～150μm。

2.权利要求1所述聚四氟乙烯摩擦材料的制备方法，包括以下步骤：

将聚四氟乙烯、云母、玻璃纤维、纳米氧化铝和石墨混合后依次进行压制和烧结，得到聚四氟乙烯摩擦材料。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述压制的压力为70～100MPa，时间为3～5min。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述烧结的温度为365～375℃，保温时间为90～150min。

5.权利要求1所述聚四氟乙烯摩擦材料或权利要求2～4任一项所述制备方法制备得到的聚四氟乙烯摩擦材料在超声电机中的应用。